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衣物免洗终能实现? 港大科学家发明研发出理想化的防水防油物料
王强 2017-11-17
导语

香港大学王立秋团队研发出崭新的防水及防油物料,能应用于衣物、厨具和军事等方面。在技术上,这一物料使得不洗衣服成为可能。

图:港大机械工程系王立秋教授(右)及朱平安博士展示他们创新的防水防油物料。

最理想的防水防油(疏液)物料,应该是无论任何不同体积的液体,均会被物料弹走,不着粘黏。防液物料重要的用途包括防水衣物、防污厨具、以至大型船只(以减低水阻、提升速度、节省燃料)。从事这方面的科研人员,总想开发出既具有良好防水防油(疏液)功能、耐用程度高,又能大面积制备、成本低廉的物料。然而,目前的防水防油物料,并未能齐备上列四大理想,原因是现有工程学上微结构的设计和物料编织制造方式尚有不足之处。

香港大学工程学院机械工程系王立秋教授带领的研究团队,最近通过新的结构设计和编造方法,制造出「互连疏液结构」的防水防油物料,并以创新的「液滴微流控」方法编造出「多孔疏液表面」,只要将此特制物料覆盖于其他物料如纺织品、金属、玻璃等上面,便可达到防水防油的效果,从此克服过去一直未能解决的难题; 相关文章已 于《自然通讯》(Nature Communications)发表。日后,穿着经这项技术处理的衣服将无惧被雨水甚至油质淋湿。

研究团队今次创新的意念,灵感来自小小的跳虫。跳虫是栖息于土壤中的节肢动物,经常会遇到雨水冲洗或者淹浸。这些节肢动物续渐进化出具有强韧的角质表皮以抵抗泥土摩擦,同时具有良好的排水能力以继续存活。团队模仿跳虫表皮结构的设计,有效地解决了防水能力和强韧度之间、传统上是鱼与熊掌不可兼得的矛盾。表皮的强韧度取决于互相连接的结构,良好的防水能力则基于凹角结构。受跳虫表皮启发,研究团队设计出具有互连凹角特点的多孔表面:互相连接提高强韧度也具高防水能力。

图 2 模仿跳虫表皮结构设计的疏液表面。(a)疏液表面的结构示意图。(b)疏液结构的扫面电镜图。(c)水滴被疏液多孔表面排斥的实物图。(d)疏液表面排斥10种液体,其接触角数值均大于90˚。

「互连疏液结构」令强韧度大大提高21倍

实验证明,此具有「互连疏液结构」的物料可排斥水、油、表面活性剂溶液(如洗洁精)和有机溶剂等最少10种液体(图2d)。相较于单独的结构,「互连疏液 结构」的强韧度提高了21倍以上(图3)。此外,在已经润湿的情况下,此结构仍能恢复其疏液性。同时,由于具有柔韧性,此多孔表面还能覆盖在多种物体上排 水和排走各类液体。

图 3 高韧度的疏液表面;(a) 结构完整的多孔表面(互连结构); (b) 结构完整的微球表面(独立结构);(c-d)多孔表面的互连结构在(c)8.6千帕的摩擦压力下开始被破坏,并在(d)11.5千帕下被大面积破坏;(e-f) 微球表面的独立结构在(e)0.4千帕的摩擦压力下开始被破坏,并在(f) 2.9千帕下被大面积破坏。

「多孔疏液表面」材料成本每平方米仅约港币1元

同时,研究团队提出一种创新的「液滴微流控」方法,透过控制微粒液体,制造出「多孔疏液表面」。其外表就好像烘培曲奇饼干模具的形状,然而「液滴微流控」模具却是以精准方法,控制每颗微粒液体的尺寸、结构和化学成分; 换言之,可以制造出大面积而每颗液体结构均一的物料。此方法制造成本低,其材料成本每平方米只需港币7角至1元3角,仅为市场上现有的「聚四氟乙烯疏水过滤膜」价格的千分之一。因此,通过控制微流粒液体,这项技术能够精确有效地加工微结构,同时具备成本低廉和大面积制造的双重优点。

图 4 微流控方法制备多孔表面;(a) 微流控方法的制备过程,包括乳液沉积、溶剂挥发和去除样板;(b) 微液滴在乳液沉积后组装;(c) 溶剂挥发后获得干燥的固体薄膜;(d) 去除样板液滴后得到的多孔表面;(e-f) 具有不同结构尺寸的多孔表面;(g) 多孔疏液表面的透明性;(h) 微流控法制备的厘米尺寸大小的多孔表面。

这一突破将改变编造高效能防水防油物料微结构,同时又具有强韧稳定度和低廉商业生产成本等多项优点,更为未来进一步透过设计,按实际需要制造出不同形状、不同防水或排水能力、不同强韧度的物料,应用于不同领域,包括能源、建筑、车辆、化学工程、电子、环境、生物医学、制造业、船舶和军事设施等。

文章链接:

Pingan Zhu, Tiantian Kong, Xin Tang, Liqiu Wang, "Well-defined porous membranes for robust omniphobic surfaces via microfluidic emulsion templating," Nat. Commun.,2017,8, 15823, DOI: 10.1038/ncomms15823

(本文来源:香港大学新闻网;)

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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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